单片机最小系统应用设计.ppt

单片机最小应用系统设计 单片机最小应用系统设计包括单片机的广泛选择和单片机最小系统设计 单片机的广泛选择 最大限度满足应用系统对硬件资源的要求 单片机最小系统设计 单片机和最通常的外围电路设计 本章内容 6 280C51系列单片机的广泛选择 6 1典型单片机应用系统结构设计 6 380C51单片机最小应用系统设计 6 4单片机最小应用系统设计应用举例 本章要求 2根据应用系统能正确选择单片机的型号 1了解掌握MCS 51系列单片机 4掌握单片机最小应用系统的设计方法 3掌握3种典型最小系统的结构和组成 一 单片机应用系统的典型结构 6 1典型单片机应用系统结构设计 应用系统是以单片机为核心 构成的一个智能化产品系统 1 典型应用系统的结构层次 应用系统设计分三个结构层次 单片机 保证产品系统智能化处理和智能化控制 提供应用系统硬件基础 I O口 总线 中断 ADC等 和软件基础 指令系统 设计时选择最适合产品需要的单片机器件是重点 要求了解它的性能 结构 指令系统 开发环境及技术支持状况等 一 单片机应用系统的典型结构 6 1典型单片机应用系统结构设计 1 典型应用系统的结构层次 单片机系统 是单片机应用系统中的计算机系统 由单片机 时钟电路 复位电路和资源扩展电路构成 设计时主要熟悉和掌握最小系统的设计方法和单片机资源的扩展方法 一 单片机应用系统的典型结构 6 1典型单片机应用系统结构设计 1 典型应用系统的结构层次 单片机应用系统 单片机应用系统是满足使用要求 实现预定功能 运行可靠的产品系统 由单片机系统 各种接口电路 传感器 ADC 键盘 显示 司服控制驱动等 外部设备接口电路 串口通信 构成 设计时主要根据产品功能要求 设计各种功能电路和外围设备接口电路 一 单片机应用系统的典型结构 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 应用系统的单片机趋势 单片机内部资源不断丰富扩大 片内存储器SRAM不断扩大 I O口数量增多 种类多样化 时钟系统 中断系统更完善 单片机内部功能不断加强 增加了ADC PWM LDC接口 增强了I O口功率驱动 增加了模拟比较器 一 单片机应用系统的典型结构 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 应用系统的单片机趋势 片内程序存储器的状态趋向用户开放 MaskROM单片机生产厂家将用户程序制作到ROM区 掩膜工艺 各种串口扩展总线的发展和完善 省去了片外程序存储器扩展 各种串行通信式外围电路的发展 使原并改串 电路更加简单 OTPROM一次可编程 双极熔丝式 最可靠 MTPROM EPROM和FlashROM 用户多次编程写入 3 单片结构的专用化趋势 二 单片机的广泛选择 1 单片机分类 1 按通用性能分类 6 1典型单片机应用系统结构设计 单片机生产厂家 型号众多 选择合适的单片机可以使系统最大简化 功能优异 成本低廉 性能可靠 专用型 电度表专用单片机传感器接口 显示器接口 数据通信接口和CPU实现最大系统集成 通用型 片内只集成应用系统中所需通用性电路单元 而满足产品功能的外围电路须外部扩展 二 单片机的广泛选择 1 单片机分类 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 按总线结构分类 3 按单片机程序存储器的供应状态分类 总线型 有并行数据总线和地址 P2口 总线 非总线型 没有并行数据总线和地址总线 MaskROM掩膜工艺型 最可靠 适合大批量 OTPROM一次可编程型 最可靠 小批量 MTPROM EPROM和FlashROM 用户多次编程型 最方便 可靠性落差一点 二 单片机的广泛选择 1 单片机分类 6 1典型单片机应用系统结构设计 4 按单片机的技术特点分类 按数据总线宽度分4位机 8位机 16位机 32位机 按指令系统分复杂指令集 CISC ComplexInstructionComputer 精简指令集 RISC ReductionInstructionComputer 目前和未来相当时间内8位机是主流 主要体现在控制功能的系统集成 而不是追求高速处理的数据总线的宽度上 RISC结构 单字节指令 12或14位 单字节程序存储器 12或14位 和CPU的流水线工作方式 大大提高了指令运行速度 二 单片机的广泛选择 2 单片机的广泛选择原则 6 1典型单片机应用系统结构设计 选择单片机时要考虑的主要因素有 产品批量 成本 技术要求 技术支持 开发环境 现有技术基础等 选择的单片机必须最大程度地满足产品的功能 可靠性 功耗 使用环境等技术要求 根据单片机应用系统的技术要求列出单片机选型指标 确定机型 4 8 16 32位机 总线类型 总线型 非总线型 通用型 通用型 专用型 程序存储器供应状态等 二 单片机的广泛选择 2 单片机的广泛选择原则 6 1典型单片机应用系统结构设计 大批量 能得到单片机厂家的技术支持 选择余地大 成本降低 专用型 小批量 自己开发要考虑技术基础 通用型 具体选择以8位为基础 实时性要求很高时 选择高速运行的8位机 实时性要求很高且有大量数据处理任务时可选16位或32位机 二 单片机的广泛选择 3 单片机的更新选择 6 1典型单片机应用系统结构设计 1 货源性的更新选择 2 竞争性更新选择 3 专用化的更新选择 更新选择是指原有单片机应用系统中 为了提高性能 降低成本而重新选择其他型号的单片机 为了提高产品性能 降低成本 增加可靠性 选择新的单片机替代原有的单片机 更新原产品系统 会取得很好效果 考虑单片机的兼容性和柔性化结构 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 1 应用系统中的系统扩展 6 1典型单片机应用系统结构设计 在选择合适的单片机后 片内资源仍不能满足应用系统要求时 通过系统扩展和系统配置完成应用系统硬件电路设计 主要是存储器 I O口 定时器 计数器 中断源等扩展 总线型单片机中 并行总线及相应指令系统可直接支持单片机系统扩展设计 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 2 应用系统的系统配置 6 1典型单片机应用系统结构设计 1 前向通道接口配置 对控制对象要求的外围电路和通道接口设计称为单片机的系统配置 是指应用系统中的传感输入通道接口电路的设计 从传感器到单片机输入引脚的全部应用电路的设计 传感器的信号不同 输入通道接口电路能将它们处理成统一的 单片机能接收的数字量或开关电平 模拟量须经过放大处理 A D转换 转换成单片机能接收的数字量 开关信号应经整形 放大 电平调整变成单片机I O口的标准TTL或CMOS电平信号 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 2 应用系统的系统配置 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 后向通道接口配置 3 人机通道接口配置 是指应用系统中伺服驱动控制的输出通道接口电路的设计 从单片机到控制对象的全部输出电路设计 输出通道接口的设计主要是D A转换及功率驱动 是指应用系统中人机对话的外围设备接口电路的设计 键盘 显示器 打印机 编码器 IC卡等 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 2 应用系统的系统配置 6 1典型单片机应用系统结构设计 4 通信接口配置 是指应用系统中标准数字通信接口电路的设计 RS 232 RS 422 485通信接口 选用适当器件将UART扩展为RS 232 RS 422 485通信接口 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 3 系统扩展与系统配置中的总线技术 6 1典型单片机应用系统结构设计 1 并行扩展总线 2 串行扩展总线 在单片机应用系统中使用的总线主要有并行总线和串行总线 总线型单片机提供了并行总线扩展引脚 数据 DB 地址 AB 控制 CB 总线 控制 CB 总线 读 RD 写 WR 用串行总线扩展可采用串行扩展方式外围器件 大大简化系统连接方式 增加系统结构的灵活性 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 3 系统扩展与系统配置中的总线技术 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 串行扩展总线 I2C总线 Philips公司 I2CBUS Inter IntegratedCircuitBUS 同步串行总线数据线 SDA 和时钟线 SCL I2C总线驱动能力400pF 位传输速度100b s I2C总线上的外围器件通过软件编码地址 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 3 系统扩展与系统配置中的总线技术 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 串行扩展总线 SPI串行外围接口 MOTOROLA公司 SPI SerialPeripheralInterface 同步串行接口MISO 数据输出 MOSI 数据输入和SCK 时钟线 数据传送速度高 主机位传输速度1 05Mb s 从机位传输速度2 1Mb s SPI总线上的器件必须外加片选 CS 线寻址 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 3 系统扩展与系统配置中的总线技术 6 1典型单片机应用系统结构设计 2 串行扩展总线 Microwire同步串行总线 NationalSemicondutor公司 同步串行总线SO 数据输出 SI 数据输入和SK 时钟线 总线上的器件必须外加片选 CS 线寻址 单总线1 Wire Dallas公司 总线内含CPU 总线上的器件寻址 数据输入 数据输出共用一根线 三 应用系统中的系统扩展和系统配置 3 系统扩展与系统配置中的总线技术 6 1典型单片机应用系统结构设计 3 串行扩展总线的虚拟 用I O口虚拟串行扩展总线接口 在第8章介绍虚拟串行扩展接口 一 80C51系列单片机的兼容性 6 280C51系列单片机的广泛选择 1 指令兼容性 2 总线兼容性 3 引脚兼容性 引脚兼容是指80C51的各种型号规格封装引脚兼容 不同型号功能涉及外部引脚的改变 设置第2功能 封装引脚兼容的单片机型号有 8 C524 8 C550 8 CL410 80C51 80C52 8 C851 8 C575 8 CL781 89C51 89C52 8 C652 8 C528 8 CL782 89C54 89C55 8 C576 8 C58 8 C51RA 8 C54 89CRX8 C575 8 C654 89C8252 8 51FA FB FC 一 80C51系列单片机的兼容性 6 280C51系列单片机的广泛选择 LCC44封装外型 3 引脚兼容性 LCC44的封装引脚 6 280C51系列单片机的广泛选择 一 80C51系列单片机的兼容性 6 280C51系列单片机的广泛选择 QFP44封装外型 3 引脚兼容性 QFP44的封装引脚 6 280C51系列单片机的广泛选择 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 1 总线型 非总线型选择 目前8051有许多封装引脚不同 功能不同 类型各异的单片机 其良好的兼容性保证了选择的灵活性 MTPROM的发展 并行总线的应用价值降低 并行总线占有大量引脚资源 大量串行总线外围应用电路的普遍发展 串行扩展总线的普遍应用 导致非总线的小型价廉单片机 非总线单片机DIP封装引脚图 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 非总线单片机DIP封装引脚图 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 非总线单片机DIP封装引脚图 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 非总线单片机DIP封装引脚图 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 非总线单片机的主要功能 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 2 单片机的功能选择 程序存储器 容量 供应状态扩展 FlashROM 80C51系列中所有型号的单片机在功能都进行了扩展 CUP外围资源 定时器 计数器 I O口 中断源定时 计数器的捕获 比较功能 可能编程计数器阵列PCA ProgrammableCounterArray 高速输入 输出的I O口 可编程的I O端口设定等扩展 数据存储器 容量扩展 EEPROM 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 2 单片机的功能选择 单片机外围接口 ADC PWM 模拟比较器 I O口驱动器等外围功能扩展 串行接口 串行扩展总线I2CBUS 通信总线UART的增强 及现场总线CANBUS ControllerAreaNetworkBUS 的设置 uP运行监控 程序监视定时器WDT WatchDogTimer 电压监测 振荡器监测等复位控制 二 80C51系列单片机的类型选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 2 单片机的功能选择 时钟速度 总线速度扩展 时钟频率的扩展 全景静止状态设计 其他 电源电压 功耗特性 EMC性能 封状形式 温度范围等 可寻找最大限度满足应用系统要求的单片机 6 280C51系列单片机的广泛选择 三 80C51系列单片机的供应状态选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 1 型号及供应状态标识 2 存储器供应状态选择 P129 80C51系列存储器的供应状态以第一个 标记表示 0 ROMLess 8031 3 MaskROM 7 EPROM OTPROM 8751 9 Flash 89C51 5 BondOut 为仿真器厂商提供的仿真装置专用 存储器选择的原则 首选片内存储器 三 80C51系列单片机的供应状态选择 6 280C51系列单片机的广泛选择 2 存储器供应状态选择 存储器选择的原则 避免使用EPROM和ROMLess 首选Flash型MTPROM 恶劣环境下可靠性不及OTPROM 大不量使用MaskROM和OTPROM 根据应用系统的技术要求及工作环境选择 工作时钟 工作温度 封装形式等 3 单片机其他性能选择 一 最小系统结构 6 380C51单片机最小系统设计 1 总线型总线应用的最小系统结构 1 系统结构 最小系统是没有外围器件和外设接口扩展的应用系统 最小系统有三种结构 时钟电路 复位电路 I O口 并行扩展总线 总线型单片机 一 最小系统结构 6 380C51单片机最小系统设计 1 总线型总线应用的最小系统结构 2 系统特点 3 应用指导 数据传输速度快 实时性好 用于扩展高速并行接口的外围器件 RAM ROM ADC DAC等 使用并行总线需外加地址译码器和锁存 占引脚多 扩展电路复杂 可用的I O口少 ROMLess型单片机必须用并行总线扩展外部程序存储器 尽量避免这种结构 一 最小系统结构 6 380C51单片机最小系统设计 2 总线型非总线应用的最小系统结构 1 系统结构 2 系统特点 3 应用指导 时钟电路 复位电路 并行总线作I O口 总线型单片机 输出口线多 外围扩展用串口 系统结构简单 优先选择这种结构 简化应用系统设计 一 最小系统结构 6 380C51单片机最小系统设计 3 非总线型单片机的最小系统结构 1 系统结构 2 系统特点 3 应用指导 时钟电路 复位电路 省掉P0 P2 P3 6 小型廉价单片机 I O口驱动能力增强 保留了80C51系列单片机的主要资源和CPU外围功能 程序存储器 4K 程序不大 优先选择这种结构 简化应用系统设计 二 时钟系统设计 6 380C51单片机最小系统设计 1 指令速度系数 1 时钟频率与指令速度 单片机的运行速度 指令运行速度MIPS 由fosc决定 与单片机的结构有关 MillionInsteuctionsPerSecond 时钟频率fosc 周期Tosc CPU运行的最小节拍 单周期指令速度为SPSI 1 TM 机器周期 2 指令速度系数fISP定义 指令速度系数见P136表6 2 二 时钟系统设计 6 380C51单片机最小系统设计 1 指令速度系数 3 指令速度系数fISP的实用意义 在应用系统中为保证实时性 要求指令运行速度快 时钟频率高 为系统低功耗和电磁兼容性 要求时钟频率低 为实时性 低功耗和电磁兼容性综合考虑 设计时选择指令速度系数大的单片机低时钟频率工作 二 时钟系统设计 6 380C51单片机最小系统设计 2 时钟系统设计 1 80C51片内时钟振荡器与外部谐振电路 电路 内外时钟震荡器并联 时钟 PD时钟启停控制 PCON 1 掉电保护 内部有一个高增益可控反相放大器 输入端XTAL1 输出端XTAL2 二 时钟系统设计 6 380C51单片机最小系统设计 2 时钟系统设计 2 外部时钟电路及输入设计 3 时钟电路输出设计 NMOS CMOS单片机 CMOS单片机 二 时钟系统设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 时钟系统的应用管理 根据功耗管理要求 时钟管理 运行时开启时钟 休闲 idle 或掉电 powerdown 关闭相应时钟 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 1 应用系统中的复位 上电复位 是单片机上电时的复位操作 保证单片机上电后立即进入规定的复位状态 系统运行监视复位 是系统出现非正常情况下的复位 信号复位 是在单片机正常供电情况下 在复位引脚端加以复位信号而产生的复位 根据不同情况信号复位有 按键操作复位 唤醒复位 控制复位等 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 1 应用系统中的复位 系统运行监视复位有 通常有电源监测复位和程序监视复位 电源监测复位是电源下降到一定电平状态或电源未达到额定电平要求时的系统复位 程序运行监视复位则是程序运行失常时的系统复位 2 单片机的复位时序 系统软件复位 热启动 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 1 上电复位电路 上电复位信号从RST端输入 复位信号高电平有效 应持续足够的时间 复位电路参数 要考虑电源的上升时间和振荡器的启振时间 fosc 10MHZ启振时间为1ms 1MHZ 10ms 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 2 信号复位电路设计 按键信号复位 唤醒信号复位 上位机控制信号复位 唤醒 上位机控制信号要经单稳态触发器处理 可靠地复位时间 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 2 信号复位电路设计 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 3 程序运行监视电路设计 程序监视定时器WDT WatchDogTimer 实现 程序 飞逸 或 死机 时 计数器得不到CLR信号 定时时间到产生溢出信号 强迫复位 设计时计数器定时时间大于程序正常运行循环时间 在程序正常运行路径上设置多个CLR指令 不复位 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 3 程序运行监视电路设计 单片机内部带WDT功能单元 选择uP监视控制器件 大多数带WDT电路 在单片机外部设置WDT电路 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 3 程序运行监视电路设计 STC12系列单片机内部带WDT功能单元 看门狗控制寄存器WDT CONTR WDT FALG看门狗溢出标志 溢出时硬件置1 软件清0 EN WDT看门狗允许位 当置1时 看门狗启动 CLR WDT看门狗清0位 当置1时 看门狗重新计数 6 380C51单片机最小系统设计 3 程序运行监视电路设计 STC12系列单片机内部带WDT功能单元 看门狗控制寄存器WDT CONTR IDLE WDT看门狗 IDLE 模式位 当置1时 看门狗在空闲模式计数 当清0时 看门狗在空闲模式不计数 PS2 PS1 PS0看门狗预分频值 看门狗溢出时间T 6 380C51单片机最小系统设计 3 程序运行监视电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 程序运行监视电路设计 看门狗应用程序 WDT CONTREQU0E1H 定义看门狗ORG0000HLJMPMAINORG0050HMAIN MOVWDT CONTR 00111100B 看门狗初始化NOPLOP1 LCALLDISPLCALLDELAY MOVWDT CONTR 00111100B 喂狗 LJMPLOP1 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 4 电源监测复位 在系统上电 断电 瞬间欠压时 提供复位信号 系统突然断电 瞬间欠压时输出监测信号 以供单片机实施防护性措施 如将重要数据保护 I O端口的安全设置等 可连接备用电池电源 在主电源断电 欠压或重新上电时 能保证备用电源的投切控制 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 3 复位电路设计 5 系统软件复位 系统编程控制寄存器ISP CONTR 应用 ISP CONTREQU0E7HMOVISP CONTR 00100000B STC12系列单片机中可用软件复位 SWRST软件复位标志 0不操作 1时复位 硬件自动清0 三 复位电路设计 6 380C51单片机最小系统设计 4 应用系统中多复位要求的处理 在应用系统中有外围电路要求有复位时其速度要比单片机快 单片机复位工作后先延时10ms以上等待外围电路复位 一 全自动洗衣机 6 4单片机最小应用系统设计应用举例 1 控制功能要求 1 强 弱洗涤功能 2 4